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[obm-l] O Truque do Nicolau



Ola Pessoal,

Estou reproduzindo abaixo um raciocinio do Nicolau Bernoulli / Euler no caso 
das permutacoes caoticas. O excelente livro de Combinatoria do Prof Morgado 
trata desse tema, com outra tecnica de abordagem. Em linhas gerais, o 
Nicolau supoe a existencia da funcao C(N) e, a seguir, deduz uma relacao de 
recorrencia. Voces perceberao que o raciocinio destes matematicos e muito 
bonito.

Logo depois proponho uma generalizacao. Para quem quiser refletir mais sobre 
estas coisas, sugiro que se analise com calma o seguinte triangulo 
aritmetico:

1/(2!) - 1/(3!) + 1/(4!)  - 1/(5!) + 1/(6!) -   1/(7!) + ...
           1/(3!)  - 2/(41) + 3/(5!) -  4/(6!) +  5/(7!) - ...
                       1/(4!)  -  3/(5!) + 6/(6!)  - 10/(7!) +...
                                    1/(5!)  - 4/(6!)  + 10/(7!) - ...
                                                1/(6!)  -   5/(7!) + ...
                                                           + 1/(7!) - ...
...             ...                   ...            ...         ...


Considere N objetos, que aqui serao representados genericamente pelos 
numeros naturais 1, 2, 3, ..., N. Adotando a permutacao 123 ... N como 
padrao, diremos que uma PERMUTACAO e CAOTICA ( em relacao a padrao ) se 
nenhum de seus elementos ocupar a posicao que originalmente ocuopava.

Exemplo : Se adotarmos 12345 como padrao, 23451 e 34512 sao caoticas 
enquanto 21354 nao e.

Queremos saber quantas permutacoes caoticas existem em relacao a uma 
permutacao fixada, adotada como padrao. O total de permutacoes caoticas que 
construtiveis a aprtir de N elementos sera representada C(N). Assim, fixemos 
a permutacao :

12345...N

Dividimos as C(N) caoticas em relacao a ela e que teem o 1 no lugar do 2 em 
dois conjuntos,  a saber :

A) Aquelas nas quais o 1 esta no lugar do 2 e o 2 esta no lugar do 1
21XXX...X
B) Aquelas nas quais o 1 esta no lugar do 2 e o 2 NAO esta no lugar do 1
X1XXX...X

O conjunto A) tem quantos elementos ? Bom, como 1 e 2 estao fixos, basta 
permutarmos caoticamente os N - 2 elementos restantes, isto e, o conjunto A) 
tem exatamente C(N-2) elementos. Portanto :

Conjunto A tem : C(N-2) elementos

O conjunto B) tem quantos elementos ? Aqui esta o TRUQUE DO EULER : Vamos 
permutar caoticamente. O 1 esta fixo na posicao do 2, o 2 nao pode ocupar a 
posicao do 1 mas pode ocupar qualquer outra das N - 2 posicoes restantes, 
qualquer outro elementos (3,4,...,N) pode ocupar N - 2 posicoes possiveis. 
Portanto, isso e equivalente a permutarmos caoticamente N-1 elementos, isto 
e, o conjunto B) tem C(N-1) elementos ...

Conjunto B tem : C(N-1) elementos

Ora A) + B) e o conjunto de TODAS AS PERMUTACOES CAOTICAS nas quais o 
elemento 1 ocupa a posicao do 2, isto e , Total de permutacoes caoticas nas 
quais o elemento 1 ocupa a posicao do 2 e igual a :

C(N-1) + C(N-2)

Agora basta reiterarmos sucessivamente este raciocinio : colocamos o 1 no 
lugar do 3 e dividimos estas permutacoes em dois conjuntos :

C) Aquelas nas quais o 1 esta no lugar do 3 e o 3 esta no lugar do 1
3X1XX...X
D) Aquelas nas quais o 1 esta no lugar do 3 e o 3 NAO esta no lugar do 1
XX1XX...X

Aplicando um raciocinio identico ao que aplicamos antes, chegaremos a 
conclusao de que :

Conjunto C tem : C(N-2) elementos
Conjunto D tem : C(N-1) elementos

E portanto :

Ora C) + D) e o conjunto de TODAS AS PERMUTACOES CAOTICAS nas quais o 
elemento 1 ocupa a posicao do 3, isto e , Total de permutacoes caoticas nas 
quais o elemento 1 ocupa a posicao do 3 e igual a :

C(N-1) + C(N-2)

Fica claro que vamos repetir este raciocinio N-1 vezes, isto e, vamos 
repeti-lo para o 1 ocupando sucessivamente as posicoes do 2, 3, 4, ..., N. 
Ao final, teremos C(N), todas as permutacoes caoticas, isto e :

C(N) = (N-1) * [ C(N-1) + C(N-2) ]           RELACAO 1

A equacao de recorrencia acima foi obtida primeiramente por Nicolau 
Bernoulli, que propos o problema a Euler que,  usando o raciocinio que 
reproduzi acima, chegou ao mesmo resultado. Em geral, os raros livros que 
tratam de permutacoes caoticas nao apresentam as coisas assim. Eles provam a 
validade da formula :

C(N) = N! * [ 1/(2!)  -  1/(3!)  +  1/(4!)  -  1/(5!)  + ... +- 1/(N!) ]

E claro que esta expressao esta contida da relacao de recorrencia. Mas o 
fundamental e o raciocinio que o Euler e o Nicolau desenvolveram. Fica como 
exercicio deduzi-la ( a formula ) da  RELACAO 1.

Considere agora duas permutacoes, caoticas entre si, tais como :

1234
2341

Quantas permutacoes, caoticas em relacao as duas, existem ? Resposta : duas. 
A saber : 4123 e 3412

Considere agora as duas permutacoes, caoticas entre si :

1234
3412

Quantas permutacoes, caoticas em relacao as duas, existem ? Resposta : 
quatro. A saber : 4123,  2143, 4321, 2341.

Bom, os fenomenos acima mostram que o total de permutacoes caoticas em 
relacoes a duas outras permutacoes, caoticas entre si, depende de alguma 
relacao entre elas. Seria possivel generalizar o raciocinio do Euler, 
exposto acima, de forma a resolver tambem esse caso ?

O problema e uma modelagem valida para inumeras circunstancias. Por exemplo 
:

PROBLEMA 1 ) Seja A = { 1, 2, ..., N }. Quantas funcoes F:A->A existem que 
cumprem as duas seguintes condicoes :
a) F(X) nao tem ponto fixo
b) F(F(X)) nao tem ponto fixo

PROBLEMA 2 ) Uma matrix de 3 linhas e N colunas e dita ser latina se todos 
os seus elementos pertencem ao conjunto A = {1, 2, ..., N } e nenhuma fila ( 
linha ou coluna ) tem elementos repetidos. Quantas Matrizes latinas 3xN 
existem tais que
A1j = j,  j = {1, 2, ..., N }. ( Aij e o elemento da linha i e coluna j )

PROBLEMA 3 )  Participam de uma mesa redonda N pessoas, cada uma das quais 
tendo um lugar pre-determinado para sentar e uma pasta com o seu nome para 
receber. Eremildo, que e um idiota, deve distribui as pessoas nos lugares 
bem como  as pastas. Qual a probabilidade de que nenhuma pessoa sente no seu 
lugar correto e nao receba a pasta correta ?





Um Abraco a Todos !
Paulo Santa Rita
2,1608,140703

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